相敏式激光啁啾色散光谱技术在高吸收度情况下的应用∗

丁武文 孙利群

(清华大学精密仪器系,精密测试技术及仪器国家重点实验室,北京 100084)

相敏式激光啁啾色散光谱技术在高吸收度情况下的应用∗

丁武文 孙利群†

(清华大学精密仪器系,精密测试技术及仪器国家重点实验室,北京 100084)

(2016年12月15日收到;2017年3月22日收到修改稿)

研究了相敏式激光啁啾色散光谱法在高吸收度情况下的应用.用窄频半导体激光器作为光源,利用一工作于载波抑制模式的铌酸锂电光强度调制器调制单频激光,在单频激光两侧产生两个边频分量,并通过两边频分量产生外差干涉信号.利用外差干涉的相位波动来测量甲烷气体位于1653.7 nm附近的折射率波动,通过气体折射率与吸收系数之间的Kramers-Kronig关系计算甲烷气体浓度.传统的波长调制光谱法受限于郎伯-比尔定律,在应用于高吸收度的情况时,存在灵敏度下降的问题,甚至出现随气体浓度上升输出信号反而下降的现象.实验结果显示,相同实验条件下,波长调制光谱法的线性测量范围为38.1—1500 ppm·m,线性测量的动态范围仅为16 dB;而相敏式激光啁啾色散光谱法在很大的吸收度范围内均具有线性输出,检出限低至47.3 ppm·m,线性测量范围上限为174825 ppm·m,具有超过35 dB的动态范围.

可调节半导体激光吸收光谱法,色散光谱,波长调制光谱,外差干涉

1 引 言

可调谐二极管激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)法是采用可调谐半导体激光器进行气体吸收光谱检测的技术总称.其中,波长调制光谱(wavelength modulation spectroscopy,WMS)法通常采用一次谐波信号来归……